Основы гидравлики. Расчет гидропривода (лекция №1)

1.

Гидравлика и ГП
Роман Владимирович Чернухин
Кафедра проектирования технологических машин
[email protected]

2.

Гидравлика и ГП
• Лекции - 36 ч.
• Лабораторные занятия – 18 ч.
• Контрольная работа
• Зачет

3.

Тематика лекционных занятий:
• Основы гидравлики
• Общие сведения об объемных гидроприводах
• Объемные гидромашины
• Гидроаппараты
• Кондиционеры рабочей жидкости,
гидроемкости, гидролинии и уплотнительные
устройства
• Схемы объемных гидроприводов и
гидропередач
• Расчет гидропривода

4.

Тематика лабораторных занятий
• Festo FluidSim, ауд. 227
• Лаборатория гидравлики ауд. 224

5.

Контрольная работа
Расчет гидропривода

6.

Зачет
• Тест по пройденному материалу
• Отчеты по лабораторным занятиям
• Контрольная работа

7.

Литература
Основная литература
1. Башта Т. М. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. – 1982.
2. Артемьева Т. В., Стесин С. П. Гидравлика, гидромашины и
гидропневмопривод. – 2006.
3. Шинкоренко Е. В. Расчет гидропривода автоматизированного
технологического оборудования : учебное пособие. Новосибирск : Изд-во
НГТУ, 2007.
Дополнительная литература
1. Беляев Н. М., Уваров Е. И., Степанчук Ю. М. Пневмогидравлические системы:
Расчет и проектирование: Учебное пособие. – Высшая школа, 1988.
2. Башта Т. М. Машиностроительная гидравлика. – Рипол Классик, 2013.
3. Свешников В. Станочные гидроприводы. Справочник. – Litres, 2017.

8.

1. Основы гидравлики
1.1 Определение гидравлики
1.2 Общие сведения о жидкостях
1.3 Основное уравнение гидростатики
1.4 Закон Архимеда
1.5 Кинематика и динамика жидкости
1.6 Уравнение Бернулли
1.7 Режимы течения жидкости
1.8 Расчет простых трубопроводов. Потери давления в
трубопроводах
1.9 Истечение жидкости через отверстия и насадки
1.10 Понятие о гидравлическом ударе

9.

1.1 Определение гидравлики
Гидравликой называется прикладная наука, занимающаяся
изучением законов равновесия и движения жидкости и
рассматривающая способы приложения этих законов к
решению конкретных практических задач.
Гидравлика состоит из двух разделов:
гидростатики и гидродинамики.
Гидростатика — раздел гидравлики, в котором изучаются законы
равновесия жидкости при относительном покое и
рассматриваются практические приложения этих законов.
Гидродинамика — раздел гидравлики, в котором изучаются
законы движения жидкости и ее взаимодействие с твердыми
телами при их относительном движении.

10.

Гидравлика
др.-греч.
ὑδραυλικός
(hydraulikos)— водяной;
от ὕδωρ
(Hydr) — вода
αὐλός
(авлос)— труба, желоб
В
понятие
«гидравлика»
вначале включалось только
учение о движении воды по
трубам

11.

1.2 Общие сведения о жидкостях
Жидкостями называют физические тела, занимающие по
молекулярному строению промежуточное положение между
твердыми телами и газами. В отличие от твердого тела жидкость
обладает текучестью, а в отличие от газа — весьма малой
изменяемостью своего объема при изменении внешних условий.
Давление p - физическая величина, равная отношению силы
давления F, действующей на элемент поверхности нормально к ней, к
площади S этого элемента.
Единицей давления в системе СИ является паскаль (Па)
1 Па — давление, вызванное силой 1 Н, равномерно распределенной
по поверхности площадью 1 м2 и нормальной к ней.

12.

Свойства жидкости
К основным физическим свойствам жидкости относятся плотность,
вязкость, сжимаемость и тепловое расширение.
Плотностью жидкости называется физическая величина, равная
отношению массы т жидкости к ее объему
ρ = m/V
Единицей плотности в системе СИ является 1 кг/м3.
Плотность воды (при 4 °С) рв = 1000 кг/м3 = 1 г/см3;
нефти (при 20 °С) рн = 850 кг/м3 = 0,85 г/см3.
Плотность жидкости измеряется ареометрами

13.

Свойства жидкости
Вязкость жидкости — свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигу или относительному
перемещению ее слоев.
Различают динамическую и кинематическую вязкость жидкости.
Динамической вязкостью жидкости называется величина, равная отношению касательного напряжения
между слоями жидкости к градиенту скорости их сдвига.
μ = τ / grad v
Единица динамической вязкости в системе СИ — 1 Па·с.
Кинематической вязкостью жидкости называется величина, равная отношению динамической вязкости
жидкости к ее плотности при той же температуре
v = μ /ρ
Единица кинематической вязкости в системе СИ — 1 м2/с.
Квадратный метр на секунду — кинематическая вязкость жидкости плотностью 1 кг/м3, динамическая
вязкость которой равна 1 Па·с.
На практике применяют дольную единицу кинематической вязкости — 1 мм2/с. До введения системы СИ
единицей кинематической вязкости был стокс (Ст);
дольная единица — сантистокс (сСт); 1 мм2/с = 1 сСт.
Вязкость жидкостей определяют с помощью вискозиметров

14.

Свойства жидкости
Сжимаемость жидкости — свойство изменять объем под
действием давления. Количественно сжимаемость
жидкости характеризуется модулем объемного сжатия
Когда изменением объема жидкости можно пренебречь,
рабочую жидкость считают несжимаемой, однако при
динамических расчетах гидросистем сжимаемость
жидкости необходимо учитывать.
Тепловое расширение жидкости — свойство жидкости
изменять объем в процессе ее изобарического нагревания
(при постоянном давлении).

15.

Гидростатика
Под гидростатическим давлением жидкости понимается давление,
обусловленное действием только массовых сил, приложенных к
частицам жидкости, находящейся в покое.
Среднее гидростатическое давление:
Гидростатическое давление обладает тремя свойствами:
• гидростатическое давление всегда направлено по нормали к
площадке, на которую оно действует;
• гидростатическое давление в любой точке действует одинаково по
всем направлениям;
• гидростатическое давление в точке зависит от координат точки в
пространстве, т. е. р = f (х, у, z).

16.

1.3 Основное уравнение гидростатики

17.

Закон Паскаля
Закон Паскаля: внешнее давление,
приложенное к внешней поверхности жидкости,
передается всем точкам этой жидкости и по
всем направлениям одинаково.
Поместим на свободную
поверхность жидкости,
находящейся в
равновесии в резервуаре
2 поршень 1 и приложим
к нему силу F0, в
результате чего со
стороны поршня на
жидкость возникает
давление р0.
В соответствии с основным
уравнением гидростатики
абсолютные давления в
произвольно выбранных
точках А, В и С будут
соответственно равны

18.

Простейшие гидромашины
Простейшая схема гидропривода состоит из
двух гидромашин. Цилиндр 1
предназначен для работы в режиме
насоса, цилиндр 2 — в режиме объемного
гидродвигателя (гидроцилиндра). На
поршень цилиндра 1 действует сила
давления F1 на поршень цилиндра 2 —
внешняя нагрузка F2.
Принцип работы гидропривода следующий.
При перемещении поршня цилиндра 1
вниз рабочая жидкость из него
вытесняется в цилиндр 2, приводя его
поршень в движение. При этом давление
р1 создаваемое в цилиндре 1 силой F1,
действует также и на поршень цилиндра 2
(по закону Паскаля). В цилиндрах 1 и 2
устанавливается статическое давление,
которое без учета потерь равно:
Сила F2 возрастает во столько раз, во
сколько раз площадь большого
поршня цилиндра 2 больше площади
малого поршня цилиндра 1 без учета
сил трения и разности масс поршней.

19.

1.4 Закон Архимеда
На погруженное в жидкость тело
действует равнодействующая сила
гидростатического
давления
(архимедова сила), направленная
вверх и равная весу жидкости,
объем которой равен объему
погруженной части тела

20.

1.5 Кинематика и динамика
жидкости
Под кинематикой жидкости понимается раздел механики, в
котором
изучаются
геометрические
свойства
механического движения жидкости без учета их массы и
действующих на них сил. Движение жидкости
характеризуется скоростью частиц в отдельных точках
потока, давлением, а также общей формой потока.
Различают установившееся и неустановившееся движение.
При установившемся движении каждая неподвижная
точка пространства, занятого движущейся жидкостью,
характеризуется постоянными скоростью потока и
гидродинамическим давлением. Скорость и давление
являются только функциями координат движущейся
частицы жидкости:

21.

Элементы потока жидкости
• Потоком называется движущаяся масса жидкости
полностью или частично ограниченная поверхностями
3 вида потоков:
1. Напорный поток (движение в закрытых руслах при
полном заполнении поперечного сечения жидкостью
за счет давления и силы тяжести)
2. Безнапорный поток (движение в открытых руслах за
счет силы тяжести)
3. В струе (истечение жидкости из емкости через
отверстие)
Масса жидкости, протекающая внутри трубки тока
называется элементарной струйкой

22.

Расход жидкости
Объемным расходом жидкости называется физическая
величина, равная объему жидкости, протекающей через
нормальное сечение потока в единицу времени:
Единицей объемного расхода жидкости в системе СИ является 1
м3/с — кубический метр в секунду — расход, при котором через
нормальное сечение потока за 1 с равномерно перемещается
жидкость объемом 1 м3.
Допускается применять внесистемную единицу расхода - 1 л/мин.

23.

Уравнение постоянства расхода для потока
Q=V/t
Для труб круглого сечения
Из уравнения постоянства расхода для потока следует, что при
движении потока в разных сечениях могут меняться площадь S и
скорость v а расход жидкости вдоль потока остается постоянным.

24.

Понятие об удельной энергии потока
Имеется частица жидкости с массой m, которая
поднята на высоту z, имеет объем V, находится под
давлением p и движется со скоростью v.
Потенциальная энергия положения частицы:
Потенциальная энергия давления:
Полная энергия:
Удельная энергия (делим на mg):
Удельная
потенциальная
энергия
потока
жидкости,
находящаяся в потоке, равна гидростатическому напору и для всех
точек рассматриваемого объема жидкости одинакова.

25.

Кинетическая энергия частицы:
поскольку
то
разделив уравнение на G получим:
То есть удельная кинетическая энергия равна скоростному напору
Скоростной напор измеряется пьезометром 1 и трубкой Пито 2
Дополнительный подъем в трубке Пито:
Подъем жидкости на дополнительную высоту в трубке Пито
объясняется тем, что при «набегании» движущихся частиц жидкости на
входной конец трубки со скоростью v возникает дополнительное
давление на неподвижную жидкость в трубке Пито, для
уравновешивания которого жидкость в трубке Пито должна подняться
на такую дополнительную высоту, при которой сила тяжести столбика
жидкости будет равна указанному дополнительному давлению.